Metal Sealing Performance of Subsea X-tree Wellhead Connector Sealer

The metal sealing performance of subsea X-tree wellhead connectors is crucial for the safety and reliability of subsea X-trees. In order to establish the theoretical relation between metal sealing ring＇s contact stress and its structural parameters and working pressure, a mechanical analysis method for double-cone sealing of high pressure vessels is applied in analyzing the metal sealing ring under the condition of preload and operation. As a result, the formula of the unit sealing load for the metal sealing ring under operation with residual preload is shown in this paper, which ensures that the metal sealing ring has an excellent sealing effect and can prevent the metal sealing ring from yielding. Besides, while analyzing the sealing process of the metal sealing ring, the change rule of contact stress and working pressure is concluded here, putting forward that the structural parameters of the metal sealing ring are the major factors affecting the change rule. Finally, the analytical solution through theoretical analysis is compared with the simulation result through finite element analysis in a force feedback experiment, and both are consistent with each other, which fully verifies for the design and calculation theory on metal sealing ring＇s contact stress and its structural parameters and working pressure deduced in this paper. The proposed research will be treated as an applicable theory guiding the design of metal seal for subsea X-tree wellhead connectors.

特高压平板闸阀设计与密封性能分析

针对特高压井口平板闸阀设计指导空缺问题,参考API 6A和API 6D标准中的平板闸阀设计参数确定方法,给出175 MPa工作内压下阀体通径为78 mm的平板闸阀设计参数,补充并完善了国内外特高压井口平板闸阀设计方法,对所设计的平板闸阀采用有限元法分析其在螺栓预紧工况、额定工作内压工况和1.5倍静水压工况下的密封性能。所设计的平板闸阀可以满足密封准则,且能应对一定量的动载荷,可为特高压井口平板闸阀设计提供参考。

水下井口连接器研发现状及密封关键技术研究进展

水下井口连接器是连接水下采油树与井口头的关键设备,为了加快国内水下井口连接器的研发进程,对国内外水下井口连接器发展现状进行了广泛调研,国外水下井口连接器产品系列完善,5家供应商占据了市场垄断地位;国内对水下井口连接器的研究起步较晚,但目前也初步实现了浅水及深水井口连接器的工程化应用。针对水下井口连接器最为关键的金属对金属密封问题,从密封数值模拟、理论及试验、热-力耦合、密封优化设计等方面研究进展进行了剖析,指出基于线弹性二维或三维有限元方法分析水下井口连接器的非线性问题存在一定偏差;理论方法难以准确推导出水下井口连接器在复合载荷下的密封载荷传递关系,相关试验也难以精确模拟水下井口连接器的真实工况和载荷条件;热-力耦合分析未充分考虑传热边界和初始温度条件,简单按照经验法选取对流换热系数和导热系数,导致连接器密封热-力耦合的温度求解不准确,也缺少相关试验验证压力-温度共同作用下的金属密封能力;密封优化设计方面,目前主要针对接触应力单一目标进行优化,需以接触应力、结构强度、尺寸等多目标进行优化,多角度评估优化后的水下井口连接器结构力学性能。建议深入开展水下井口连接器设计、制造、检验标准的适用性研究,全方位评估水下井口连接器密封影响因素并完善水下井口连接器的密封试验内容,突破水下井口连接器密封关键技术,形成水下井口连接器的研发技术体系,实现海洋油气开发水下井口连接器从浅水到深水、超深水系列化标准化产品。

高温井井口抬升工况套管螺纹热应力行为

高温高压井生产过程中出现井口抬升现象,增加了套管螺纹失效的风险,评价井口抬升工况下套管螺纹失效风险是井筒完整性的基础。采用有限元法和实验法,建立了套管螺纹的热应力模型,分析了不同温度与轴向力作用下套管螺纹的力学行为。研究表明:高温高压井套管螺纹失效风险较高,螺纹啮合处两端的螺纹牙容易出现应力集中;井口温度为33℃时,随着拉力增加,套管螺纹的最大应力值增加,当拉力达到3350 kN时,偏梯形套管螺纹最大应力为758 MPa,有屈服失效的风险;随着温度的增加,井口抬升量呈线性增大的趋势,而套管螺纹最大应力值也会随之增加。建议在高温井生产时,应选择合适产量或使用隔热管降低螺纹的工作环境温度,以保证现场安全生产。研究成果为高温高压井筒完整性评价提供技术支撑。

深水采油树井口液压连接器的设计

设计一种基于18-3/4"H4型面、69 MPa井口压力的液压驱动锁块式连接器,通过有限元方法分析锁紧型面过盈量对锁紧峰值压力、连接器预紧力的影响,预紧力与锁紧峰值压力之间的关系,以及VX钢圈在失效负载条件下的密封性能,并对相关分析结果进行测试验证。分析及测试验证表明,在过盈量可调范围内连接器预紧力与锁紧峰值压力为线性关系,可通过锁紧峰值压力的大小有效评估预紧力;有限元分析结果可为连接器的调试作参考;连续的环状接触压痕是钢圈密封的必要条件,密封面的材料及加工质量是建立密封的关键因素;连接器在69 MPa+1300 kN+11000 kN·m负载条件下功能、结构及密封性能良好。连接器搭载采油树在南海相关油气田得到成功的示范应用。

一种高压内封堵井口增注保护装置的研制与应用

随着油田开发进入中后期,常规的注水补充能量已无法满足“补能、增油”的动态开采要求,尤其是针对部分高压低孔低渗油藏缺少有效开发手段,普遍面临“压力高、注不进、采不出、动用程度低、生产成本高”的困境,在经济极限井距下难以实现有效驱替。目前大港油田主要采用增能注水增注工艺,利用压裂车组对目标井组进行“超高压、大排量”增强注水,在短期内补充老区地层亏空,能够达到提高采收率目的。但是增能注水工艺主要应用于高压低孔低渗油藏埋藏深、温度高,且施工压力高(70MPa)、压力波动频繁、排量大,需要配套高承压级别井口,为解决常规注水井口即可满足增能注水需要的问题,研制了一种高压内封堵井口增注保护装置,可以在不进行作业更换高压井口的情况下实现高压增能注入,减少作业成本和施工时间,已实施2口井增注,实现日增注69m^(3),累计增注11752m^(3),井组增油1358.7t,效果显著,具备推广应用价值。

超高压重大井口装备密封结构的关键技术研究

随着开采层位压力的增加,140MPa压力等级产品已不能完全满足超深油气井勘探开发的需求,迫切需要更高压力等级的井控装备。通过对现有API6A标准分析,完善了175MPa超高压井控装备的设计原理。研究了重大井口装备的抗高压、耐高温和耐腐蚀密封结构的关键技术。文章提出了新型的井口装备密封结构,并对密封结构的性能进行了实验验证。结果表明,该密封结构具有优良的抗高压、耐高温及耐腐蚀性能。

海上油田长效注汽井口技术研究与应用

海上油田蒸汽驱注汽井长期处于高温高压以及冷热交变工况条件下,地面安全控制要求高。常规吞吐式井口难以满足长期密封性能要求,影响井口及管柱更换周期。研制了一种新型海上热采长效注汽井口。通过优化油管悬挂器、平板闸阀以及液控管线双级穿越密封结构设计,采用高强度连接螺栓,提升关键部件材质以及密封材料性能,特殊的表面处理工艺等技术,形成了海上蒸汽驱长效注汽井口关键技术。该井口具有良好的耐高温高压、耐腐蚀耐冲蚀以及长效密封性能,解决了热采井口装置易刺漏的问题,实现了海上蒸汽驱长期注汽的地面安全控制。现场应用结果表明,海上蒸汽驱长效注汽井口装置在350℃高温注汽以及冷热交变工况下,实现了21个月无刺漏,密封性能安全可靠,取得了良好的应用效果。海上油田长效注汽井口技术的成功研发,为海上水平井蒸汽驱先导试验项目提供坚实的安全保障和技术支撑。

水下井口连接器力学特性分析与实验研究

基于密封性能对水下井口连接器的力学特性进行分析和试验验证。以高压介质作用下密封性能的判定准则为依据,根据赫兹接触理论得到了接触宽度、最大接触压力与接触面倾角之间的定量关系,确定了密封面倾角满足密封性能的合理范围。在小变形假设下利用弹性理论分析了在锁紧情况下密封圈各点处的应力分量变化规律,利用有限元软件分析了密封圈各点的应力变化规律,并且根据水下采油树标准设计试验进行了密封性能的验证。

高温高产井井口抬升及下沉风险分析研究

由高温热膨胀效应引发的井口抬升现象在各大油田普遍存在,严重威胁生产作业安全。基于多级传热理论,通过有限元方法模拟多级套管水泥环地层非线性传热过程及热膨胀现象,提出了一种新的井口抬升计算方法。以新疆油田某区块X1井为例,开展了不同工况下各级管柱井口风险评价分析。研究发现,在极限生产工况下,由于表层套管环空水泥环产生的封固作用,使得各级套管在井口位置处虽产生较大上顶力,但并不会发生井口抬升现象;而当表层套管水泥环存在一定程度缺失后,井口出现整体抬升现象,且在井口装置压重作用下,井口整体抬升量从0.03 m缩减至0.02 m。结果表明,该方法可以定量评价实际生产过程中井口安全性,对实际现场井口抬升计算及风险评价具有一定指导意义。

套管外补接技术在水下井口的应用

南海东部某区块采用水下井口开发,完井阶段对井筒完整性测试时,发现套管存在泄漏点;采用封隔体(RTTS)确认漏点位置,进一步采用高精度声波能谱成像(SNL)测井及井下电视确认浅层套管存在漏点;对比多种工艺方案,最终选择切割漏点以下套管,使用套管外补接技术回接套管,确保井筒完整性。利用外补接器使新套管与原井套管连为一体,同时不缩小原有井筒内径,保障后续工艺的实施,能够有效地解决水下井口浅层套管完整性问题。

水下井口生产热膨胀力分析与井口环空密封完整性评估

基于南海东部某海域的钻井资料,运用热力、结构力学理论,建立水下井口的热-结构力学轴对称有限元模型,运用ANSYS软件对海床以上井口的轴向热膨胀力进行计算。采用经典理论计算套管串由于热膨胀在井口产生的力,对环空密封总成的长期密封完整性进行评估。结果表明,在4285 m井深和正常温度压力条件下,由于流体热循环在套管挂处产生向上的力为2811 kN,而环空密封总成锁环工作能力为3247 kN,因此,环空密封总成锁环可抵抗热膨胀产生的向上的力。为确保油井生命周期的井口安全,提出在套管挂顶部下入锁紧补芯,以限制套管挂和密封总成在生产过程中由于热膨胀而向上移动。上述评估方法及措施为水下井口在生产过程中的密封完整性评估提供参考。

环形金属密封总成密封机制及性能分析

环形金属密封总成是水下井口头系统重要组成部分,其性能直接影响到水下井口头系统的安全性,甚至整个水下油气系统的可靠性。分析环形金属密封总成的密封机制和工作原理,结合有限元分析结果,从密封环在密封过程中的变形情况来分析其密封性能。结果表明:密封环在弹性变形阶段可以实现密封,但对密封环的表面粗糙度和表面质量有很高的要求,在环形密封总成工况条件下无法保证,应避免在此阶段实现密封;密封环在塑性变形阶段能够填补环表面存在的缺陷,实现良好的密封;在塑性变形阶段,密封环接触面的变形情况成为影响密封性能的唯一因素。

超长冲程井口密封装置的研制与应用

目前常规井口密封装置多用于抽油机悬点在井口以上的情况,若用于长冲程采油,则地面需配套高架结构,存在稳定性差、起下困难和成本高等问题。为此,研制了超长冲程井口密封装置。该装置采用长密封管补偿对接方式,布置在井口以下,可满足12 m超长冲程抽油需要;采用软、硬组合双级密封方式,具有较好的耐压与密封性能。胜利油田5井次的试验结果表明,该装置在整个试油周期内工作时间长,密封良好,平均泵效达71.6%。

海洋水下井口装置密封技术研究

密封技术是水下井口装置的关键技术之一,密封性能的优劣直接影响并决定整个海洋石油开采系统的安全性和可靠性。介绍了国内海洋水下井口装置密封技术现状,尤其对美国VetcoGray公司的VX、VX-2、VGX、VGX-2、VT、VT-2等垫环密封和SG-LTR环空密封、DrilQuip公司的环空密封以及Aker公司的环空密封的结构技术参数和性能特点进行了重点分析研究。同时阐述了海洋水下井口装置密封的设计与制造关键技术。指出井口头密封的双密封面结构和球面密封面结构技术先进;环空密封的全金属密封、压入安装方式具有承压高、工作可靠、寿命长的优点。最后建议借鉴国外海洋水下井口装置密封的结构特点,加大科研力度,做好试验设施建设,以推进海洋水下井口装置国产化进程。

稠油热采井口光杆密封装置

针对克拉玛依六—九区稠油开采中井口普遍出现的跑油问题 ,提出了根治跑油的办法 ,研制出一种新型井口密封装置。该装置利用盘根盒腔体与光杆形成密封空间 ,用专用注塑枪等向腔内注入新型密封材料 ,使密封剂的挤压力与泄漏原油介质的压力相平衡 ,建立新的密封结构堵塞泄漏孔隙和通道 ,挡住流体的外泄。应用结果表明 :采用新型密封装置操做方便 ,实用性强 ,减少了因原油泄漏造成的能源浪费及环境污染 ,具有很好的经济和社会效益。

140MPa气密封试验装置在采(油)气井口装置的应用

采(油)气井口装置的气密封特性对保障其现场使用安全和环保至关重要。建立140MPa气密封试验装置,将进一步提高井口及井控装置的可靠性、减少和避免井喷失控着火事故的发生。它能对采(油)气井口、节流压井管汇、防喷器、套管头、平板阀等进行气密封试验,促进国产井口装备质量的提高。气密封试验结果可为生产厂、用户提供设计、生产、装备及使用方面的质量改进信息。

井口头系统密封总成关键部件设计与分析

制约我国海洋油气开采发展的主要瓶颈就是深水井口头设备,而密封总成又是水下井口头系统的关键组件。为此,设计了井口头系统多级金属密封结构的密封总成,主要包括上下2个密封圈、锁紧套筒和驱动套筒。利用有限元分析软件对密封关键部件进行了强度分析,同时提出判断密封总成密封效果的理论依据,并对锁紧套筒进行了结构强度分析,对驱动套筒和密封环做了接触应力分析。分析结果表明,密封总成的结构和材料符合作业要求。该密封总成的结构设计和分析为水下金属密封技术的进一步研究奠定了基础。

沁水地区煤层气储层多脉冲压裂技术试验及应用研究

沁水盆地煤层气储量较为丰富,煤层埋深较浅,煤储层孔隙度、渗透率低,目前主要以水力压裂改造煤气层储层达到投产增产目的。针对沁水地区浅层煤层气储层地质特征及开发特点,水力压裂地层破裂压力不明显,二次压裂增产效果不理想等问题,开展了煤层气储层多脉冲压裂技术的试验应用研究与探索。重点论述了浅层煤层气多脉冲压裂技术设计方法、装药结构设计、作用机理与工艺设计及全封闭井口多脉冲压裂设计等,总结分析了三口井现场试验的效果及存在的不足。该工艺技术应用试验的成功为浅层煤层气压裂开发提供了新的增产技术与途径。建议进一步完善工艺和优化设计方法,在单井多脉冲试验应用的基础上,开展煤层气多脉冲压裂技术与水力压裂复合工艺研究,以提高综合压裂效果。

新型抽油机调偏抗磨井口装置的研制与应用

孤岛油田的主要采油工艺是有杆抽油机井采油工艺,许多稠油井、注聚井、偏磨井等经常出现井口密封不严的问题。介绍了ZZYWWY-1型抽油机调偏抗磨井口密封装置的结构、性能以及在孤岛油田的现场应用情况。该密封装置较好地解决了目前抽油机井的井口密封问题,具有抗腐蚀、防偏磨、防断杆、密封性能好等特点。